Engineering Research Technical Reports

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Engineering Research
Technical Reports
Volume 2 – Issue 2 – Article 4
(Special Issue on Aeronautics, Edited by Wendell de Queiróz Lamas)
ISSN 2179-7625 (online)
THE USE OF SEALANTS IN THE AERONAUTIC INDUSTRY
Claudio Roberto dos Santos1
DECEMBER / 2011
Taubaté, São Paulo, Brazil
1
Univ Taubate, Department of Mechanical Engineering, Graduate Specialization on Aeronautics Engineering. (E-mail: [email protected])
Engineering Research: Technical Reports
Technical Editor: Giorgio Eugenio Oscare Giacaglia
Associate Technical Editors
Eduardo Hidenori Enari, Universidade de Taubaté, Brazil
Wendell de Queiróz Lamas, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil
Editorial Board
Antonio Faria Neto, Universidade de Taubaté, Brazil
Asfaw Beyene, San Diego State University, USA
Bilal M. Ayyub, University of Maryland, USA
Bob E. Schutz, University of Texas at Austin, USA
Carlos Alberto de Almeida, Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, Brazil
Ciro Morlino, Università degli Studi di Pisa, Italy
Eliane da Silveira Romagnolli Araujo, Universidade de Taubaté, Brazil
Epaminondas Rosa Junior, Illinois State University, USA
Evandro Luís Nohara, Universidade de Taubaté, Brazil
Fernando Manuel Ferreira Lobo Pereira, Universidade do Porto, Portugal
Gilberto Walter Arenas Miranda, Universidade de Taubaté, Brazil
Hubertus F. von Bremen, California State Polytechnic University Pomona, USA
João Bosco Gonçalves, Universidade de Taubaté, Brazil
Jorge Muniz Júnior, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil
José Luz Silveira, Univ Estadual Paulista at Guaratinguetá, Brazil
José Walter Parquet Bizarria, Universidade de Taubaté, Brazil
María Isabel Sosa, Universidad Nacional de La Plata, Argentina
Ogbonnaya Inya Okoro, University of Nigeria at Nsukka, Nigeria
Paolo Laranci, Università degli Studi di Perugia, Italy
Rolando A. Zanzi Vigouroux, Kungliga Tekniska högskolan, Sweden
Sanaul Huq Chowdhury, Griffith University, Australia
Tomasz Kapitaniak, Politechnika Lódzka, Poland
Zeki Tüfekçioğlu, Ankara Üniversitesi, Turkey
The “Engineering Research” is a publication with purpose of technical and academic knowledge dissemination.
SUMÁRIO
1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS
87
1.1 Introdução
87
1.2 Grupo de Selantes
89
1.3 Classe de Selantes
90
1.4 Tipos de Selagem
90
1.4.1 Selagem de Filete
90
1.4.2 Selagem Aerodinâmica
92
1.4.3 Selagem de Interface
92
1.4.4 Selagem de Prendedores
93
1.5 Objetivos
94
1.6 Metodologia
94
2 PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS
95
2.1 Qualificação do Teste
95
2.2 Aceitação do Teste
96
3 DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO
97
3.1 Teste de Tração e Alongamento
97
3.2 Ensaio
100
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
101
4.1 Resultados Obtidos
101
4.2 Análise dos Resultados
102
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
103
5.1 Conclusões
103
5.2 Sugestões de Trabalhos Futuros
103
REFERÊNCIAS
104
EMPREGO DE SELANTES NA INDÚSTRIA AERONÁUTICA
RESUMO
Conhecer os tipos de selantes e suas composições, as funcionalidades, os
requisitos e ensaios laboratoriais para qualificação. Obter dados teóricos e
especificações técnicas. Analisar os resultados laboratoriais confrontando as
especificações técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios.
Os trabalhos foram realizados através de pesquisas em sites de Entidades de
Classe, Órgãos Homologadores, Fabricantes, Normas e Procedimentos
Internos do Processo de Fabricação da Embraer. Foram realizados ensaios
laboratoriais para análise do comportamento dos selantes submetidos à tração
e alongamento. Com o resultado foi possível confrontar as especificações
técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios.
Palavras-chave: compostos, tempo de cura, preparação.
Eng Res, v. 2, n. 2, p. 82-104, December / 2011.
85
THE USE OF SEALANTS IN THE AERONAUTIC INDUSTRY
ABSTRACT
The wide range of sealants generates a necessity to know the types,
compositions, functionality and properties by physical, chemical and mechanical
testing. Information correlating the mechanical behavior with material
specifications should be useful for planning of the application conditions. For
that, theoretical data and technical specifications are required, as well as data
obtained by experimental tests. The work was realized using the literature data
furnished by class entities, certifying authorities, manufacturers, standard
practices, and internal procedures of the manufacturing process of the Embraer.
Specimens
were analyzed by tensile testing and elongation. Results have
permitted the comparison of the manufacturer specifications with the
experimental testing.
Keywords: composites, curing time, preparation.
86
CAPÍTULO 1 – CONSIDERAÇÕES INICIAIS
1.1. INTRODUÇÃO
Os selantes são aplicados nas superfícies interna e externa das
aeronaves, com os seguintes objetivos:
Evitar Corrosão - entende-se como corrosão a deterioração de um
material, metálico ou não, por interação química ou eletroquímica com o meio,
em presença ou não de esforços mecânicos. A deterioração pode ocorrer por
desgaste e/ou a durabilidade e o desempenho do material. Os selantes agem
em três sentidos para evitar a corrosão:
- Isolam o metal do meio formando uma barreira;
- Impedem, por serem isolantes elétricos, as correntes de corrosão
(correntes galvânicas);
- Preenchem as frestas, evitando com isso o estabelecimento de uma
pilha de aeração diferencial. Esta pilha se forma devido à diferença de
concentração de oxigênio que existe entre o interior da fresta (menos oxigênio)
e o exterior (mais oxigênio). Preenchendo as frestas, os selantes agem,
também, no sentido de evitar o acúmulo de umidade ou de outros
contaminantes nesses locais.
Vedação - os selantes atuam como vedantes em áreas pressurizadas,
cavernas de pressão, tanques integrais de combustível, toilet, compartimentos
de bateria, etc. Eles impedem o vazamento ou penetração de fluidos
corrosivos, combustível, produtos químicos, perda de pressurização, etc. a que
são submetidas as aeronaves.
Aerodinâmica - tem a função de melhorar a aerodinâmica, ou seja, evitar
frestas, cantos, reentrâncias ou protuberâncias e qualquer mudança brusca de
contorno, o que diminui a resistência ao avanço e melhora o desempenho da
aeronave.
Os selantes são compostos orgânicos inertes, isto é, que não atacam o
substrato e que são polimerizados pela ação de um catalisador ou pela reação
87
com a umidade do ar. A polimerização consiste em reações químicas de cura
que convertem o composto em um sólido com características elastoméricas. A
maioria dos selantes é constituída por polissulfetos e são fornecidos em duas
partes (bicomponentes):
- Composto básico;
- Catalisador ou acelerador;
Tais compostos curam pela ação do catalisador e, portanto, a reação de
cura é influenciada pela umidade relativa do ar e pela temperatura, sendo
diretamente proporcional a ambas. Já os produtos à base de silicone são
monocomponentes e curam pela reação com a umidade atmosférica.
No caso de selantes, tais componentes devem ser misturados somente
momentos antes da sua aplicação e nas proporções indicadas, observando os
seguintes fatores: tempo de aplicação, tempo de montagem, tempo de
manuseio e tempo de cura.
Tempo de Aplicação: é o tempo após mistura, ou após o fim do
descongelamento, sendo este previamente misturado e congelado, em que o
selante permanece adequado para aplicação no substrato. A temperatura e
umidade afetam fortemente esta condição.
Tempo
de
Montagem:
tempo
máximo
depois
da
mistura
ou
descongelamento em que o selante permanece adequado para unir as peças,
a fim de assegurar uma selagem efetiva. O tempo de montagem estabelecido é
maior que o tempo de aplicação do selante e é determinado pela temperatura e
umidade definidas pela especificação do fabricante. Tempo de montagem varia
com as condições ambientais.
Tempo para Manuseio: para o manuseio de peças seladas deve-se
esperar no mínimo o selante atingir a condição de “tack free”, desde que não
haja movimento relativo entre as peças. Em qualquer situação, deve-se tomar o
cuidado para não causar danos físicos e nem contaminação do selante durante
o seu manuseio.
Tempo de Cura: a duração requerida para um selante para obter a
dureza mínima como definida pela especificação. Selantes de polissulfeto para
tanque combustível são considerados curados quando eles alcançam uma
88
dureza de 35 A medida no Durometro (dependendo da especificação). A
dureza final do selante pode ser maior.
1.2. GRUPO DE SELANTES
Os selantes dividem-se em dois grandes grupos, os selantes
monocomponertes (figura 1) a base de silicone, a cura ocorre através da
reação com a umidade atmosférica, e os selantes bicomponentes (figura 2)
que são constituídos por polissulfetos e fornecidos em duas partes, composto
base e o catalisador, a cura ocorre através da influência da umidade relativa do
ar e pela temperatura, sendo diretamente proporcional a ambas.
Figura 1 – Selante Monocomponente – PPG Aerospace 2009
Figura 2 – Selante Bicomponente – PPG Aerospace 2009
89
1.3. CLASSE DOS SELANTES
Os selantes são divididos em três classes:
Classe A - Brush Grade Sealants: Selantes de baixa viscosidade,
aplicados com pincel e usados na preparação para aplicação de outros
selantes.
Classe B - Extrusion Grade Sealants: Selantes de maior viscosidade,
aplicados com pistola por extrusão e usados para filetes e selagem em
superfícies verticais.
Classe C - Roller Grade Sealants: Selantes de interface, aplicados com
rolo ou espátulas e usados entre superfícies.
Os selantes podem ser fornecidos em três maneiras:
Two-Part Can Kit: é um pacote contendo a base e o catalisador prémensurados e acondicionados em latas distintas.
Cartridge Package: é um cartucho que contém a base e o catalisador
separados e que é utilizado na mistura e aplicação do selante.
Premixed and Frozen: é um cartucho em que o selante já vem misturado
e
congelado.
Armazenados
em
temperaturas
inferiores
a
–
40°C.
Descongelamento: 30 minutos a temperatura ambiente ou 5 minutos em água
quente.
1.4. TIPOS DE SELAGEM
1.4.1. SELAGEM DE FILETE
O selante é aplicado sobre as partes, após a montagem e fixação das
peças, por meio de bisnagas ou pistola de extrusão. Os filetes são aplicados
nos bordos de juntas e perfis (figura 3) para proporcionar a máxima proteção
contra vazamento ou penetração de fluidos (líquidos e gases). A vantagem
desse tipo de selagem é que ela pode ser inspecionada ou reparada muito
facilmente, sem necessidade de desmontagem. Os filetes são aplicados nos
90
bordos de juntas e perfis para proporcionar a máxima proteção contra
vazamento ou penetração de fluidos (líquidos e gases). O selante utilizado e as
dimensões dos filetes devem estar de acordo com as normas de cada
aeronave.
Figura 3 – Selagem de Filete – PPG Aerospace 2009
91
1.4.2. SELAGEM AERODINÂMICA
Consiste na vedação da superfície externa da aeronave (figura 4),
prevenindo-a contra a corrosão atmosférica, penetração de umidade e outros
contaminantes, tais como: poeira, produtos de limpeza. Nesse tipo de selagem,
consegue-se um melhoramento aerodinâmico na superfície externa da
aeronave. Portanto, o acabamento e a estética são especialmente importantes.
Figura 4 – Selagem Aerodinâmica – PPG Aerospace 2009
1.4.3. SELAGEM DE INTERFACE
Consiste na aplicação do selante em uma das peças e em toda a área
de contato entre elas. É muito recomendado nos casos em que a prevenção
contra a corrosão é requerida. A selagem de interface (figura 5) também auxilia
na determinação de vazamentos de combustível, uma vez que o impede de
espalhar-se pelas interfaces, o que dificultaria sua localização.
Também é aplicada em superfícies usinadas devido à sua rugosidade
superficial. Os selantes são aplicados com uma pistola de extrusão sempre em
zigue-zague, e depois esparramados com um rolinho de metal ou similar,
adequado para essa operação.
92
Figura 5 – Selagem de Interface – PPG Aerospace 2009
1.4.4. SELAGEM DE PRENDEDORES
Qualquer parte do prendedor (figura 6) que fique no interior do tanque de
combustível, fazendo ligação da área molhada com a área seca, deve receber
uma camada de selante. Exceção: os rebites "briles" não devem ser molhados,
pois são auto-vedantes. Em caso de vazamento, esses rebites devem receber
uma camada de selante na cabeça ou contra-cabeça, sempre pelo lado que
esteja em contato com o combustível. Sempre que possível, os prendedores
devem ter as contra-cabeças, porcas ou colares voltados para o interior do
tanque de combustível, principalmente cabeça interna.
Figura 6 – Selagem de Prendedores – PPG Aerospace, 2009
93
1.5. OBJETIVOS
Conhecer os tipos de selantes e suas composições, as funcionalidades,
os requisitos e ensaios laboratoriais para qualificação. Obter dados teóricos e
especificações técnicas. Analisar os resultados laboratoriais confrontando as
especificações técnicas do fabricante e os valores obtidos durante os ensaios.
1.6. METODOLOGIA
Os trabalhos foram realizados através de pesquisas em sites de
Entidades de Classe, Órgãos Homologadores, Fabricantes, Normas e
Procedimentos Internos do Processo de Fabricação da Embraer para obtenção
de dados teóricos e especificações técnicas. Foram realizados ensaios
laboratoriais de tração e alongamento. Com o resultado foi possível
compreender
as
especificidades
técnicas
do
selantes
e
a
possível
aplicabilidade de compostos alternativos.
CAPÍTULO 2 – PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS
2.1. QUALIFICAÇÃO DO TESTE
As instruções do fabricante devem ser seguidas. Cartuchos plásticos
(figura 7) podem ser usados na preparação do composto devendo ser
94
respeitadas as proporções definidas do composto base e do catalisador. Em
condições especiais alguns selantes podem ser fornecidos em kits (figura 8)
contendo o composto base e o catalisador nas proporções especificadas.
Figura 7 – Cartucho Plástico, êmbolo e bico – AS 5127/18, 2009
Figura 8 – Cartucho Plástico Selante Bicomponente – kit – AS 5127/1B, 2009
2.2. ACEITAÇÃO DO TESTE
Os compostos de selante deverão ser preparados seguindo as
especificações e instruções dos fabricantes fazendo uso de equipamentos de
mixer (figura 9) ou através da mistura manual respeitando as proporções do
composto básico e do catalizador.
95
Figura 9 – Mixer de Selante – PPG Aerospace, 2009
96
CAPÍTULO 3 – DESENVOLVIMENTO DO ENSAIO
3.1 TESTE DE TRAÇÃO E ALONGAMENTO
O ensaio de tração consiste em tracionar um corpo de prova de
dimensões padronizadas até a sua ruptura. Os ensaios de tração permitem
determinar propriedades do material como a tensão de ruptura e o
alongamento do mesmo. Essas propriedades são importantes tanto para
avaliação do material produzido como do mesmo em serviço. O método para
avaliação acha-se descrito na norma ASTM D412.
Esta norma descreve os procedimentos para determinar as propriedades
de tensão em borrachas vulcanizadas, já que a aparelhagem usada
normalmente é fácil de operar e permite uma avaliação rápida e até
informatizada das composições de elastômeros. Os aparelhos usados são
chamados Dinamômetros (figura 10) e as características podem ser
determinadas em operações simultâneas ou subseqüentes.
Figura 10 - Máquina de Tração eletromecânica
EMIC DL com várias células de carga e software
para aquisição de dados, Intenet, 2010
97
As propriedades elásticas são características importantes da resistência
dos materiais. O corpo de prova é estendido a uma velocidade padrão
constante até a sua ruptura (ASTM D412). A resistência à tração (figura 12) é
avaliada pela carga aplicada por unidade de área no momento da ruptura
(Figura 11.A). O alongamento (figura 12) representa aumento percentual do
comprimento da peça sob tração, no momento da ruptura (Figura 11.B). O
módulo de elasticidade ou módulo de Young é medido pela razão entre a
tensão e a deformação, dentro do limite elástico, em que a deformação é
totalmente reversível e proporcional à tensão. (Figura 11.C). Os módulos a
100%, 200% e 300% utilizados para caracterizar os elastômeros, e descrevem
não o módulo real, mas a tensão necessária para produzir deformações de
100%, 200% e 300%.
A resistência à tração e o alongamento na ruptura podem ser
correlacionados quantitativamente com a estrutura do polímero. Materiais com
grande teor de ligações cruzadas, como os utilizados nas espumas rígidas, são
fortes e duros, porém quebradiços, e os elastômeros e as espumas flexíveis
tem alongamento na ruptura muito maior. A parte inicial em linha reta da curva
de tensão / deformação, onde o material exibe perfeita elasticidade, representa
o desnivelamento e alinhamento das cadeias macromoleculares longas e
flexíveis.
Extensão
posterior
do
polímero
acarreta
deslizamento
das
macromoléculas com o rompimento de ligações secundárias entre cadeias
adjacentes, podendo resultar em deformações permanentes. (Figura 11.D).
98
Figura 11 - Propriedades Elásticas - Química e Tecnologia de Poliuretanos, 2004
A) Resistência à tração:sz = F(força de tensão) / Ao (área de seção reta inicial);
B) Alongamento: e = (variação do comprimento) / (comprimento inicial);
C) Diagramas tensão x deformação;
D) Curvas típicas de tensão x deformação;
a) Material duro quebradiço; b) Material duro e resistente;
c) Material elástico; d) Material macio e fraco; e) Material macio e resistente
Figura 12 – Elementos de Cálculo, Ensaios Mecânicos – NUCLEMAT, 2008
99
3.2 ENSAIO
O corpo de prova do selante recém preparado deverá ser submetido à
prensagem entre folhas de polietileno de baixa densidade. A folha superior
deverá ser retirada assim que o selante atingir o tempo de manuseio e
aguardar a cura conforme AS 5127 definido nas especificações. Como
alternativa poderá ser utilizado um molde fechado nas dimensões definida na
norma ASTM D412 em substituição as folhas de polietileno. Se o molde for
utilizado o selante deverá ser retirado do molde após o tempo de cura. Os
ensaios de tração e alongamento devem ser realizados em conformidade com
a normas AS5127 e ASTM D412. A taxa de separação das mandíbulas deverá
ser de 508 mm ± 25 mm por minuto. Todas as medições de resistência à tração
e alongamento devem ser verificadas sua conformidade com os requisitos da
especificação do selante.
100
CAPÍTULO 4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 RESULTADOS OBTIDOS
Tabela 1 – Ensaio de Tração e Alongamento, Embraer, 2010
Figura 13 – Gráfico Tensão x Deformação – Embraer, 2010
101
4.2 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Tomando-se como referência as especificações técnicas do selante
(tabela 2) e confrontando os valores obtidos durante os ensaios se constata
que em todos os corpos de prova o resultado superou a 200psi, ou 1,378MPa,
na tração e apresentou percetual de alongamento superior a 150%.
Tabela 2 – Aerospace Material Specification, SAE – AMS 3281, 2009
102
CAPÍTULO 5 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
5.1.
CONCLUSÕES
Com base nos resultados pode-se chegar a conclusão sobre algumas
características dos compostos e seus comportamentos quando submetidos a
esforços de tração. Fica evidente a grande capacidade de alongamento
superando na média em 250% seu comprimento inicial e sua alta capacidade
de resistir à tração.
5.2.
SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS
Comparar o desempenho do composto estudado com outros disponíveis
no mercado, suas propriedades físicas, aplicações, densidade, custo e tempo
de cura.
103
REFERÊNCIAS
INT. J. ADHESION AND ADHESIVES Volume 17 Number 4 1997.
SAE AEROSPACE – Aerospace Material Specification AMS3281D
Sealing Compound, Polysulfide (T) Synthetic Rubber
for Integral Fuel Tank and Fuel Cell Cavities
Low Density for Intermittent Use to 360 °F (182 °C), 2008. 15 p.
SAE AEROSPACE – Aerospace Standard AS5127/1B
Aerospace Standard Test Methods for Aerospace Sealants
Two-Component Synthetic Rubber Compounds, 2009. 46 p.
ASTM International – ASTM D412 – 06
Standard Test Methods for Vulcanized Rubber an Thermoplastic
Elatomers – Tensions, 2006, 14 p.
PRC – De Soto International, Inc.
PPG – Aerospace – Sealants, 2009, 99 p.
NUCLEMAT - Núcleo de Engenharia de Materiais Metálicos
Ensaios Mecânicos – Prof. Dr. Carlos Alexandre dos Santos, 2008, 25 p.
Química e Tecnologia de Poliuretanos
Propriedades Elásticas – Prof. Dr. Valter Vilar, 3ª Ed, 2004, 40º p.
104

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